航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造-第一章-概述

1、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造中國民航飛行學(xué)院熱能與動(dòng)力工程教研室Gas Turbine Aero-engine第 1 章 概 述第一章、概述航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造第二章、壓氣機(jī)第三章、燃燒室第四章、渦輪第五章、排氣裝置第六章、附件傳動(dòng)裝置和減速器第七章、發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)第八章、控制系統(tǒng)第九章、滑油系統(tǒng)第十章、啟動(dòng)和點(diǎn)火系統(tǒng)第十一章、輔助動(dòng)力裝置第十二章、螺旋槳第一章、概述燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的作用與要求燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的類型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商及部分產(chǎn)品簡介燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析 1903年12月17日，美國萊特兄弟駕駛“飛行者1號(hào)”實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次有動(dòng)力、載人、穩(wěn)定和可操縱的重于空氣

2、飛行器的飛行，而發(fā)動(dòng)機(jī)是航天器飛行的動(dòng)力，是飛行器的“心臟”。1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展 航空發(fā)動(dòng)機(jī)百余年的發(fā)展歷史大致可分為兩個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期是從萊特兄弟的首次飛行到二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，主要是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；第二個(gè)時(shí)期是從二戰(zhàn)結(jié)束到現(xiàn)在，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取代了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。 2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的作用及要求航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)恿?；作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置，一般應(yīng)該由發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器組成；在直接產(chǎn)生推力的渦輪噴氣、渦輪風(fēng)扇及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器是合二為一的；在渦輪螺旋槳、渦輪軸及活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，推進(jìn)器為螺旋槳或者旋翼；民航對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一般要求推力大，重量輕;耗油率低;高空性好;結(jié)構(gòu)尺寸小

3、;可靠性好;環(huán)境污染小;維護(hù)性好;使用壽命要長;1.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)類型 早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)為主，二次世界大戰(zhàn)后，隨著航空動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)基本取代活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，廣泛用于各種類型的飛機(jī)上。 現(xiàn)代航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)一般由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室(加力燃燒室)、渦輪和噴管五大部件組成。特點(diǎn)：渦輪只帶動(dòng)壓氣機(jī)壓縮空氣，全部推力來自高速噴出的燃?xì)饬鞯姆醋饔昧?。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、重量輕、能適應(yīng)高速高空飛行。耗油率較高。1.3.1 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)用于殲六、殲五渦噴六（WP-6）發(fā)動(dòng)機(jī)殲7殲8殲8II從渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器出來的燃?xì)饽芰浚^大部分在動(dòng)力渦輪中膨脹做功，使動(dòng)力渦輪高

4、速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)螺旋槳，燃?xì)庵惺Ｏ碌暮苌倌芰吭谖矅姽苤信蛎?，產(chǎn)生一小部分推力。推進(jìn)效率高，耗油低。飛行速度受限。1.3.2 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī) （WJ）運(yùn)71.3.3 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)噴管排出燃?xì)夂惋L(fēng)扇加速空氣共同產(chǎn)生推力的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。核心機(jī)排出燃?xì)獾目捎媚芰?，一部分在通過動(dòng)力渦輪時(shí)轉(zhuǎn)變成軸功率，用以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，余下的熱能在推進(jìn)噴管中用于加速排出燃?xì)舛a(chǎn)生推力。噴氣速度小、噪音低、耗油率小、推力大 高涵道比（B4）渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積大、噴氣速度小，不適宜用于超音速飛行1.3.4 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器后的燃?xì)饪捎媚軒缀跞坑糜隍?qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪而不在噴管內(nèi)膨脹產(chǎn)生推力；動(dòng)力渦輪軸上

5、輸出的功率可以用來帶動(dòng)直升機(jī)的旋翼1.3.4 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)(Turboshaft) 野外發(fā)電機(jī)1.3.5 槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)(Propfan) 槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)(Propfan) 融合了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)省油和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可在更高速度下巡航的優(yōu)點(diǎn)；性能介于渦槳和渦扇之間；槳葉噪聲大；暴露在空氣中的螺旋槳-風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)也是目前研究難點(diǎn)所在。投入使用的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)烏克蘭 D27 三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)安70超大型運(yùn)輸機(jī)CFM56渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)JT9D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) PW2037渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW4000渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)RB211-535E4渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)1.4 典型航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N

6、1daN=10N制造商CFMI公司推力2000024000lbf涵道比5(CFM56-3)用途B737CLASSIC，B737NG A320，A340JT9D渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N 1daN=10N制造商美國普拉特惠特尼公司推力22242daN涵道比5.10用途B7472.2.5 壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)PW2037渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N 1daN=10N制造商美國普拉特惠特尼公司推力37000lbf涵道比6.0用途B757PW4000渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N 1daN=10N制造商美國普拉特惠特尼公司推力50000-60000lbf涵道比5.18用途B747

7、,B767,A310,MD-112.2.5 壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)V2500渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N 1daN=10N制造商國際航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司(iae)推力25000lbf涵道比5.4用途A320,MD90RB211-535E4渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 注：1lbf=4.448N 1daN=10N制造商英國羅爾斯羅伊斯公司推力1600020000daN涵道比4.3用途B747, B757,B767作用力的分類1） 氣體力、力矩在氣流通道內(nèi)，由于氣流的速度（大小和方向）、壓力變化對(duì)零部件產(chǎn)生的力和力矩。1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析2） 質(zhì)量負(fù)荷零件的重力、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、零件振動(dòng)或飛機(jī)作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)作用在零

8、部件上的慣性力及慣性力矩。3） 溫度負(fù)荷由于零部件受熱不均勻，或相鄰各零件材料不同（線膨脹系數(shù)不同），受熱后膨脹受到約束時(shí)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。風(fēng)扇葉片1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析高壓壓氣機(jī)盤1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析燃燒室1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析尾噴口1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析力的傳遞部件內(nèi)力零件或部件內(nèi)部相互抵消不向外傳（如轉(zhuǎn)子離心力、輪盤熱應(yīng)力、氣體的徑向力，部分氣體軸向力及扭矩等）。零件外傳力通過相鄰零件傳遞，最后傳到飛機(jī)上（如大部分的氣體軸向力及慣性力）。1.5 航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析動(dòng)量定律：1.5.1 軸向力和發(fā)動(dòng)機(jī)的推力作用在進(jìn)氣裝置上的氣體軸向力

9、：作用在葉輪上的氣體軸向力1、葉片上的軸向力F1 2、盤前在直徑D3到D2之間環(huán)面上的軸向力F23、盤前在直徑D4到D3之間環(huán)面上的軸向力F34、盤后端面上的軸向力F4因此，單級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子的總氣體軸向力為：氣體軸向力的分布目的：適當(dāng)減小徑向止推軸承的軸向負(fù)荷，以保證其可靠工作。措施：（1）壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子剛性相連；（2）將壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子后端面與其他構(gòu)件構(gòu)成的空腔（A腔，前卸荷腔）通大氣；（3）將壓氣機(jī)后面級(jí)的高壓氣體引入其前端面與其他構(gòu)件構(gòu)成的空腔（B腔，前卸荷腔）。轉(zhuǎn)子軸向力的減荷能不能將負(fù)荷減小到零？減荷對(duì)推力有無影響？卸荷不能過小，否則會(huì)引起止推軸承前后竄動(dòng)、蹭傷。 實(shí)質(zhì)：利用各部件氣體軸

10、向力的重新分配，實(shí)現(xiàn)減小整個(gè)轉(zhuǎn)子的外傳軸力（通過徑向止推軸承傳出），對(duì)推力無影響轉(zhuǎn)子軸向力的減荷 即:1.5.2 氣體力作用于組合件上的扭矩 軸流式壓氣機(jī)，氣流軸向流入和流出，動(dòng)量矩不變，總扭矩為0。 靜子葉片總扭矩轉(zhuǎn)子葉片總扭矩 Mcs = - Mcr 渦輪中，有時(shí)渦輪后的氣流要在經(jīng)過尾噴管的支柱后變?yōu)檩S向： MTs + Mex= - MTr1.5.2 氣體力作用于組合件上的扭矩 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī) 作用于壓氣機(jī)及渦輪轉(zhuǎn)子上的扭矩大小相等，方向相反。 Mcr = - MTr 因此對(duì)于靜止部分有： Mcs = - (MTs + Mex)即壓氣機(jī)機(jī)匣與渦輪機(jī)匣剛性連接時(shí)，扭矩相互抵消，并不傳到飛機(jī)上去。1.5.2 氣體力作用于組合件上的扭矩 渦漿發(fā)動(dòng)機(jī) 渦輪帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子外還帶動(dòng)螺旋槳。 Mcr + MP = - MTr 因此渦輪有剩余扭矩： Mer = (MTr + Mcr),即MP = - Mer因此，機(jī)匣上也有剩余扭矩 Mes = MTs + Mex + Mcs可見，渦輪直接帶動(dòng)螺旋槳的渦